機(jī)電傳動控制CH11直流傳動控制系統(tǒng)

第11章直流傳動控制系統(tǒng)

了解機(jī)電傳動自動調(diào)速系統(tǒng)的組成;掌握生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)要求;掌握自動調(diào)速系統(tǒng)中各個基本環(huán)節(jié),各種反饋環(huán)節(jié)的作用與特點(diǎn);掌握各種常用的自動調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理,特點(diǎn)及適用場所;能在生產(chǎn)實(shí)際中處理控制系統(tǒng)的一般問題.11.1機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類1.機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的組成機(jī)電傳動控制系統(tǒng)是由電機(jī)、電器、電子部件組合而成，通過一定的控制去實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械的驅(qū)動任務(wù).(1)開環(huán)控制系統(tǒng):

只有控制量(輸入量)對被控制量(輸出量)的單向控制作用，而不存在被控制量對控制量的影響和聯(lián)系，這樣的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)受到外界的擾動(如負(fù)載的波動)，使被調(diào)量與給定值發(fā)生偏差時，由測量環(huán)節(jié)(測速發(fā)電機(jī))測量的被調(diào)量(電動機(jī)的轉(zhuǎn)速)和給定值進(jìn)行比較，得出偏差，再經(jīng)過放大環(huán)節(jié)將偏差信號放大去控制執(zhí)行環(huán)節(jié)，達(dá)到抵消擾動減少偏差的目的。其特點(diǎn)是輸入量與輸出量之間既有正向的控制作用，又有反向的反饋控制作用，形成一個閉環(huán)，故又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。2.自動控制系統(tǒng)的分類

上述的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)是從組成原理上分的。常見的還有下列的分類方法：

(1)按采用不同的反饋方式，可分為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電勢負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋及電流正反饋控制系統(tǒng)；(2)按自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可分為單環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和多環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；(3)按系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時被調(diào)量與給定量有無差別，可分為有靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)和無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)；(4)按給定量變化的規(guī)律，可分為定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)；(5)按調(diào)節(jié)動作與時間的關(guān)系，可分為斷續(xù)控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)；(6)按系統(tǒng)中所包含的元件特性，可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。例:閉環(huán)自動控制系統(tǒng)方框圖11.2自動調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

機(jī)電傳動控制系統(tǒng)選擇調(diào)速方案的依據(jù)：生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)動態(tài)指標(biāo)一、靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)1.靜差度S：

靜差度表示出生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。

速度穩(wěn)定性指標(biāo)

當(dāng)負(fù)載變化時，生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的變化要能維持在一定范圍之內(nèi)，即要求靜差度S小于一定數(shù)值。普通設(shè)備普通車床龍門刨床冷軋機(jī)熱軋機(jī)造紙機(jī)S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

電動機(jī)的機(jī)械特性愈硬，則靜差度愈小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就愈高;

在一個調(diào)速系統(tǒng)中，如果在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉(zhuǎn)速時必能滿足要求。2.調(diào)速范圍D

在額定負(fù)載下，允許的最高轉(zhuǎn)速和在保證生產(chǎn)機(jī)械對轉(zhuǎn)速變化率要求的前提下所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍。車床龍門刨床鉆床銑床軋鋼機(jī)造紙機(jī)進(jìn)給機(jī)械20～12020～402～1220～303～1510～205～300003.調(diào)速的平滑性

調(diào)速的平滑性，通常是用兩個相鄰調(diào)速級的轉(zhuǎn)速差來衡量的。

調(diào)速無級調(diào)速有級調(diào)速

以改變直流電動機(jī)電樞外加電壓調(diào)速為例，說明調(diào)速范圍D與靜差度S之間的關(guān)系：最高速度由系統(tǒng)中所使用電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速決定；靜差度S和調(diào)速范圍D由生產(chǎn)機(jī)械的要求決定；當(dāng)上述三個參數(shù)確定后，則要求靜態(tài)速降是一個定值。二、動態(tài)技術(shù)指標(biāo)

從一種穩(wěn)定速度變化到另一種穩(wěn)定速度運(yùn)轉(zhuǎn)（啟動、制動過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機(jī)械慣性，過程不能瞬時完成，而需要一段時間，即要經(jīng)過一段過渡過程，或稱動態(tài)過程。1.最大超調(diào)量

超調(diào)量超調(diào)量太大，達(dá)不到生產(chǎn)工藝上的要求；超調(diào)量太小，會使過渡過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高等范圍：超調(diào)量2.過渡過程時間T

從輸入控制（或擾動）作用于系統(tǒng)開始直到被調(diào)量n進(jìn)入（0.05～0.02）n2穩(wěn)定值區(qū)間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。

過渡過程時間3.振蕩次數(shù)N

在過渡過程時間內(nèi),被調(diào)量n在其穩(wěn)定值上下擺動的次數(shù)。

如圖所示是三種不同調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量從x1改變?yōu)閤2時的變化情況。系統(tǒng)超調(diào)量過渡過程時間T振蕩次數(shù)性能10長無不好2大長多不好3小短中好2.機(jī)電傳動控制系統(tǒng)方案的確定原則1)不要求電氣調(diào)速的:(1)空載,輕載起動的,選鼠籠式異步電動機(jī);(2)重載起動的,選線繞式異步電動機(jī);(3)大容量的選同步電動機(jī);其中,簡單的采用繼電器-接觸器控制;復(fù)雜的采用PLC控制.2)要求電氣調(diào)速的,根據(jù)調(diào)速指標(biāo)確定拖動方案:(1)D=2-3.有級調(diào)速,選多速電動機(jī);(2)D小于10,無級調(diào)速,選滑差電動機(jī);(3)D大于10,無級調(diào)速,采用SCR-M自動調(diào)速系統(tǒng).3)電動機(jī)的調(diào)速特性與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載特性匹配.例:某直流調(diào)速系統(tǒng),其高速,低速特性如圖示,=1450r/min,=145r/min,=10r/min,問系統(tǒng)達(dá)到的調(diào)速范圍有多大?系統(tǒng)允許的靜差度是多少?解:=1440/135=10.67=10/145=6.9%或=1450(0.069)/10(1-0.069)=10.6711.2晶閘管－電動機(jī)直流傳動控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)的不同：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可逆系統(tǒng)11.2.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

一、有靜差調(diào)速系統(tǒng)

單純由被調(diào)量負(fù)反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜差的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調(diào)速系統(tǒng)；

（一）轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)

1.基本組成按靜態(tài)誤差的不同：無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)：

調(diào)節(jié)速度；擴(kuò)大調(diào)速范圍，減小靜態(tài)誤差。分類：

測速發(fā)電機(jī)：與直流電動機(jī)M同軸相連，即兩者的速度相同，測速發(fā)電機(jī)用來測量電動機(jī)的速度，稱檢測元件；

轉(zhuǎn)換元件：將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號以便與給定電壓進(jìn)行比較。

給定電位器：調(diào)節(jié)Rg的位置可改變給定電壓Ug的大小。

放大器：將外加電壓和反饋信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓之差進(jìn)行放大。

觸發(fā)電路：將放大器放大后的電壓信號變?yōu)槊}沖型號去控制整流電路的輸出大小。整流電路：變交流電壓為直流電壓，輸出電壓大小由觸發(fā)電路輸出脈沖信號所決定，整流電路的輸出為直流電動機(jī)電樞的外加電壓；

直流電動機(jī)：系統(tǒng)的控制對象。

系統(tǒng)的調(diào)速方法是改變外加電壓調(diào)速；

系統(tǒng)的反饋信號是被控制對象n本身;

反饋電壓和給定電壓的極性相反，即:該系統(tǒng)又稱轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。2.工作原理

當(dāng)Ug、Uf不變時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。

(2)調(diào)速（Uf不變，改變Ug的大?。?/p>

改變Ug的大小可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種狀態(tài)稱為調(diào)速.

(1)穩(wěn)態(tài)（Ug、Uf

不變）

(3)穩(wěn)速（Ug不變、負(fù)載變化使Uf變化)

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化使速度發(fā)生變化后，系統(tǒng)通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)速。3.靜特性分析

目的：找到減小靜態(tài)速降、擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能的途徑。

靜特性表示出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的大小關(guān)系。(1)各環(huán)節(jié)輸入輸出的關(guān)系

電動機(jī)電路

式中:

電樞回路的總電阻；

可控整流電源的等效內(nèi)阻；

電動機(jī)的電樞電阻。

可控硅和觸發(fā)電路

設(shè)可控硅和觸發(fā)電路的放大倍數(shù)為K2，則：放大器電路

設(shè)放大器的放大倍數(shù)為KP，則：

反饋電路

速度反饋信號電壓與轉(zhuǎn)速n成正比，設(shè)放大系數(shù)為Kf，則：(2)靜特性——從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù)；——閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。

如果系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋（即開環(huán)系統(tǒng)）時，則整流器的輸出電壓:

由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性方程:(3)分析與結(jié)論

理想空載轉(zhuǎn)速

在給定電壓一定時，有:

轉(zhuǎn)速降

如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，即，

調(diào)速范圍與靜差度

在最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速和低速時最大允許靜差度不變的情況下，開環(huán)：

閉環(huán)：

結(jié)論：由于放大倍數(shù)不可能為無窮大，即靜態(tài)速降不可能為0，因此，上述系統(tǒng)只能維持速度基本不變。這種維持被調(diào)量（轉(zhuǎn)速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即有差調(diào)速系統(tǒng)）。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)能克服擾動作用（如負(fù)載的變化、電動機(jī)勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等）對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K是減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落、擴(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準(zhǔn)確度就越高，靜差度就越小，調(diào)速范圍就越大。但是放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。（二）其他反饋在自動調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1.電壓負(fù)反饋系統(tǒng)

由公式可知：

電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電樞端電壓的大小而變。電樞電壓的大小，可以近似地反映電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。電壓負(fù)反饋系統(tǒng)就是把電動機(jī)電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。(1)電壓負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別

反饋信號不同，前者為被控制量的間接量電壓，后者為被控制量本身；

檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發(fā)電機(jī)。(2)工作原理

穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調(diào)整過程如下：電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的特點(diǎn):

線路簡單

穩(wěn)定速度的效果并不大

電動機(jī)端電壓即使由于負(fù)反饋的作用而維持不變，但是負(fù)載增加時，電動機(jī)電樞內(nèi)阻所引起的內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動機(jī)速度還是要降低?；蛘哒f電壓負(fù)反饋，頂多只能補(bǔ)償可控整流電的等效內(nèi)阻所引起的速度降落。則Ud=U-UAK2.電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋系統(tǒng)(1)系統(tǒng)特點(diǎn)RP為電壓反饋檢測元件，并接在電動機(jī)電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動機(jī)電樞兩端電壓的大小，故稱電壓反饋；R為電流正反饋檢測元件，串接在電動機(jī)電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動機(jī)電樞電流的大小，故稱電流反饋。

系統(tǒng)的總反饋電壓

因?yàn)榉答侂妷篣V的極性與給定電壓的極性相反，故稱電壓負(fù)反饋，反饋電壓UI的極性與給定電壓的極性相同，故稱電流正反饋。要使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)總的反饋特性必須呈現(xiàn)出負(fù)反饋的性質(zhì)。(2)工作原理

穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調(diào)整過程如下：(3)靜特性

從電動機(jī)電樞回路電勢平衡關(guān)系知

上式如果滿足下列條件系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速反饋的特性。

3.電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)(1)電流截止負(fù)反饋的作用過載保護(hù)。

電流正反饋可以改善電動機(jī)運(yùn)行特性，而電流負(fù)反饋會使隨著負(fù)載電流的增加而減少，使電動機(jī)的速度迅速降低。

如果電動機(jī)的速度在負(fù)載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護(hù)繼電器也可以保護(hù)這種嚴(yán)重過載，但是過流保護(hù)繼電器，要觸頭斷開，電動機(jī)斷電方能保護(hù)，而采用電流負(fù)反饋?zhàn)饔脼楸Ｗo(hù)手段，則不必切斷電動機(jī)的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負(fù)載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產(chǎn)。(2)基本思想方法IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

當(dāng)負(fù)載正常，電樞電流在一定范圍內(nèi)（如小于1.35倍的額定電流），電流截止負(fù)反饋不起作用；

當(dāng)負(fù)載增加使電樞電流超過一定數(shù)值（如額定電流的1.35倍）時，電流負(fù)反饋開始起作用，減小電動機(jī)電樞外加電壓，使轉(zhuǎn)速下降；

當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的2~3倍）時，電流負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機(jī)速度降到零，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而起到保護(hù)作用。

因?yàn)橹挥挟?dāng)電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負(fù)反饋。這種特性因它常被用于挖土機(jī)上，故又稱“挖土機(jī)特性”。

（3）工作原理

當(dāng)電流小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電流時，反饋電壓UI<Ub,二極管V截止，電流反饋不起作用；

當(dāng)電流大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電流時，反饋電壓UI>Ub,二極管V導(dǎo)通，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端一起控制電動機(jī)，使其轉(zhuǎn)速下降；

當(dāng)電流等于堵轉(zhuǎn)點(diǎn)的電流時，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端的電壓能夠抵消，給定電壓的大小，時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，電流不再增加；

如果電流下降到小于堵轉(zhuǎn)點(diǎn)的電流，轉(zhuǎn)速則上升；二、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)1．比例積分（PI）調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器比例器調(diào)節(jié)器如圖所示：其輸入輸出之間的關(guān)系如下：

積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器如圖所示：其輸入輸出之間的關(guān)系如下：

比例積分調(diào)節(jié)器比例運(yùn)算電路和積分運(yùn)算電路組合起來就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，如圖(a)所示。其輸入輸出之間的關(guān)系如下：

當(dāng)突加輸入信號時，開始瞬間電容相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻，此時相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容被充電而開始積分，線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)時，相當(dāng)于開路，放大器呈現(xiàn)出極大的開環(huán)放大倍數(shù)。由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，輸出電壓的時間特性如圖(b)所示。2．采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)如圖所示為一常用的具有比例積分調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。（1）靜態(tài)時：，調(diào)節(jié)作用停止，由于積分作用，調(diào)節(jié)器的輸出電壓保持在某一數(shù)值上，即固定，以維持電動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于靜態(tài)時呈現(xiàn)出無窮大的放大倍數(shù)，系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差，故稱無靜差調(diào)速系統(tǒng)。（2）速度調(diào)節(jié)時：負(fù)載變化時比例積分調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用如圖所示。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載突然增加（圖中的t1時刻，負(fù)載突然由Tl1增加到Tl2）時，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將由開始下降而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差［見圖9.14(b)］，它通過測速發(fā)電機(jī)反饋到PI調(diào)節(jié)器的輸入端產(chǎn)生偏差電壓，于是開始了消除偏差的調(diào)節(jié)過程。首先，比例部分調(diào)節(jié)作用顯著，其輸出電壓等于，使控制角減小，可控整流電壓增加［圖9.14（c）之曲線①］，由于比例輸出沒有慣性，故這個電壓使電動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速回升。偏差越大，也越大，它的調(diào)節(jié)作用也就越強(qiáng)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速回升也就越快。而當(dāng)轉(zhuǎn)速回升到原給定值n1時，，，故也等于零。圖9.14負(fù)載變化時比例積分調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用積分部分的調(diào)節(jié)作用是：積分輸出部分的電壓等于偏差電壓的積分，它使可控整流電壓增加的或，即的增長率與偏差電壓（或偏差）成正比。開始時很小，增加很慢，當(dāng)最大時，的增加得最快，在調(diào)節(jié)過程中的后期逐漸減少了，的增加也逐漸減慢了，一直到電動機(jī)轉(zhuǎn)速回升到n1，時，就不再增加了，且在以后就一直保持這個數(shù)值不變［圖9.14（c）之曲線②］。圖9.14負(fù)載變化時比例積分調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用把比例作用與積分作用合起來考慮，其調(diào)節(jié)的綜合效果見圖9.14（c）曲線③，不管負(fù)載如何變化，系統(tǒng)一定會自動調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程的開始和中間階段，比例調(diào)節(jié)起主要作用，它首先阻止的繼續(xù)增大，而后使轉(zhuǎn)速迅速回升，在調(diào)節(jié)過程的末期，很小了，比例調(diào)節(jié)的作用不明顯了，而積分調(diào)節(jié)作用就上到主要地位，依靠它來最后消除轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速回升到原值。這就是無靜差調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程?？煽卣麟妷篣d等于原靜態(tài)時的數(shù)值Ud1加在調(diào)節(jié)過程進(jìn)行后的增量，如圖9.14（d）所示?？梢姡谡{(diào)節(jié)過程結(jié)束時，可控整流電壓Ud穩(wěn)定在一個大于Ud1的新的數(shù)值Ud2上。增加的那一部分電壓正好補(bǔ)償由于負(fù)載增加引起的那部分主回路壓降。圖9.14負(fù)載變化時比例積分調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用（3）特點(diǎn)：無靜差調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程結(jié)束以后，轉(zhuǎn)速偏差（PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓也等于零），這只是在靜態(tài)（穩(wěn)定工作狀態(tài)）上無差，而動態(tài)（如當(dāng)負(fù)載變化時，系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)變到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程）上卻是有差的。這個調(diào)速系統(tǒng)在理論上講是無靜差調(diào)速系統(tǒng)，但是由于調(diào)節(jié)放大器不是理想的，且放大倍數(shù)也不是無限大，測速發(fā)電機(jī)也還存在誤差，因此實(shí)際上這樣的系統(tǒng)仍然是有一點(diǎn)靜差的。這個系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器是用來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，常把它稱為速度調(diào)節(jié)器（ST）。11.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)采用PI調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器ASR的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既能得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來看，它已基本上滿足一般生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。有些生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)（如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等），為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短啟動、制動和反轉(zhuǎn)過渡過程的時間。但雜啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用越來越大，使啟動轉(zhuǎn)矩越來越小，啟動過程變慢，因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)不能滿足快速啟動、停止和反向的要求。用加大過渡過程中的電流即加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)快速啟動、停止和反向的要求，但電流不能超過晶閘管和電動機(jī)的允許值。為此，應(yīng)采取一種方法，使電動機(jī)在啟動過程中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩保持不變，即電動機(jī)電樞電流不變，且為電動機(jī)電樞允許的最大電流，當(dāng)啟動結(jié)束后，使電流回到額定值。理想的啟動過程各參數(shù)的變化如圖所示：圖中：

為理想的啟動過程曲線。由圖可見：電動機(jī)在啟動時，啟動電流很快加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉(zhuǎn)速得到線性增長，當(dāng)升到需要的大小時，電動機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值。Ud為對應(yīng)理想啟動過程曲線所要求的可控整流器輸出的電壓曲線。由圖可見：可控整流器的電壓開始應(yīng)為IamR，隨著轉(zhuǎn)速n的上升，Ud也上升，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，Ud=IaR+Cen。

為此應(yīng)把電流作為被調(diào)量，使系統(tǒng)在啟動過程時間內(nèi)維持電流為最大值Iam不變。這樣，在啟動過程中電流、轉(zhuǎn)速、可控整流器的輸出電壓波形就可以出現(xiàn)接近于理想啟動過程的波形，以做到在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下獲得最快的動態(tài)響應(yīng)。

具有速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就是在這種要求下產(chǎn)生的.其結(jié)構(gòu)如圖所示。1）系統(tǒng)采用兩個調(diào)節(jié)器（一般采用PI調(diào)節(jié)器）分別對速度和電流兩個參量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為速度調(diào)節(jié)器ASR

；而對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為電流調(diào)節(jié)器ACR

。2）來自速度給定電位器的信號Ugn與速度反饋信號Ufn比較的偏差送到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出Ugi作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定信號，與電流反饋信號比較的偏差送到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uk送到觸發(fā)器以控制可控整流器，整流器為電動機(jī)提供直流電壓Ud。

二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3）從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，為外環(huán)，二者進(jìn)行串級聯(lián)接。在控制系統(tǒng)中，常把這種系統(tǒng)稱為雙閉環(huán)系統(tǒng)。電流環(huán)——內(nèi)環(huán)，啟動時起作用。啟動時速度小，反饋電壓Ufn小，當(dāng)Ugn一定時，△Un比較大，使ASR飽和，輸出Ugi一定。

速度環(huán)——外環(huán)，運(yùn)行時起作用。當(dāng)速度上升到一定值后，反饋Ufn增加，當(dāng)Ugn一定時，△Un減小，使ASR退出飽和而起作用。3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)分析1)靜態(tài)分析從靜特性上看，維持電動機(jī)轉(zhuǎn)速不變是由速度調(diào)節(jié)器ASR來實(shí)現(xiàn)的。在電流調(diào)節(jié)器ACR上，使用的是電流負(fù)反饋，它有使靜特性變軟的趨勢，但轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)是外環(huán)，內(nèi)環(huán)電流負(fù)反饋對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說相當(dāng)于一個擾動作用，只要轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的放大倍數(shù)足夠大，而且沒有飽和，則電流負(fù)反饋的擾動作用就受到抑制。整個系統(tǒng)的本質(zhì)由外環(huán)速度調(diào)節(jié)器來決定，它仍然是一個無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。也就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，電流負(fù)反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全被轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用所抵消了，一旦ASR飽和，當(dāng)負(fù)載電流過大，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用使轉(zhuǎn)速下降很大時，轉(zhuǎn)速環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用，這時系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜特性便會呈現(xiàn)出很陡的下垂段特性。以電動機(jī)啟動為例，在突加給定電壓Ugn的起動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi,電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk,可控整流器輸出電壓Ud,電動機(jī)電樞電流Ia和轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應(yīng)波形如右圖。整個過渡過程可以分成三個階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在起動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路,系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，2)動態(tài)分析第Ⅰ階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓Ugn時，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動(n=0)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn=0，這時偏差很大，使ASR的輸出突增為Ugio，ACR的輸出為Uko，可控整流器的輸出為Udo，使電樞電流Ia迅速增加。當(dāng)增加到Ia大于Il（負(fù)載電流）時，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值Ugim，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值Iam（在這過程中，Uk、Ud的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時電流負(fù)反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即Ugim=Ufi=BIam

式中，B——電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第Ⅱ階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Iam開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直飽和，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒值Iam，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由Ud=IamR+Cen知，Ud也線性增加，這就要求Uk也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。第Ⅲ階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓Ugn與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Ugim，所以電動機(jī)仍在以最大電流Iam下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，Ufn大于Ugn，，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是LT的給定電壓）Ugi才從限幅值降下來，但是，由于Ia仍大于負(fù)載電流Il，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Ia小于Il時，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才能穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則使Ia力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為ACR的輸出電壓為由上述可知：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想啟動過程曲線。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)的調(diào)整性能好，有很硬的靜特性，基本上無靜差；動態(tài)響應(yīng)快，啟動時間短；系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)；兩個調(diào)節(jié)器可分別設(shè)計(jì)，調(diào)整方便（先調(diào)電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán)）。所以，它在自動調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步改善調(diào)速系統(tǒng)的性能和提高系統(tǒng)的可靠性，還可以采用三閉環(huán)（在雙閉環(huán)基礎(chǔ)上再加一個電流變化率調(diào)節(jié)器或電壓調(diào)節(jié)器）調(diào)速系統(tǒng)。一、利用接觸器進(jìn)行切換的可逆線路如圖所示為利用接觸器進(jìn)行切換的可逆系統(tǒng)。11.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)這種線路只用一套晶閘管整流電路，利用接觸器RKM和RKM來改變電動機(jī)電樞電流的方向。當(dāng)FKM閉合，RKM打開時，電路中A點(diǎn)為正極性電位，B點(diǎn)為負(fù)極性電位，電樞電流的方向如圖中紅線線所示，設(shè)此時電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)RKM閉合，F(xiàn)KM打開時，A點(diǎn)為負(fù)極性電位，B點(diǎn)為正極性電位，電樞電流的方向如圖中綠線所示，此時電動機(jī)應(yīng)反轉(zhuǎn)。這種可逆線路比較簡單、經(jīng)濟(jì)，但是，接觸器的壽命比較短，另外，一個方向的接觸器斷開到另一個方向的接觸器閉合，大約需1.2s～0.5s的時間，它使切換過程延緩。因此，這種方案一般適用于不頻繁快速正、反轉(zhuǎn)的場合。二、利用晶閘管切換的可逆線路

這種線路是將利用接觸器進(jìn)行切換的可逆系統(tǒng)中的接觸器用四只晶閘管替代，從接觸器的有觸點(diǎn)控制變?yōu)榫чl管的無觸點(diǎn)控制，如圖所示。由圖可見：當(dāng)晶閘管1VS和4VS觸發(fā)導(dǎo)通時，A點(diǎn)為正極性電位，而B點(diǎn)為負(fù)極性電位，電樞電流如圖中紅線所示的方向，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)晶閘管2VS和3VS觸發(fā)導(dǎo)通時，A點(diǎn)得到負(fù)極性電位，而B點(diǎn)為正極性電位，電樞電流的方向如圖中綠線所示，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種利用晶閘管切換的電樞可逆線路，經(jīng)濟(jì)上沒有明顯的優(yōu)點(diǎn)。所以，只適用于幾十kW以下的可逆調(diào)速系統(tǒng)。三、采用兩套晶閘管整流電路的可逆線路

采用兩套晶閘管整流電路分別提供正、反兩個方向的電樞電流，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的線路，目前應(yīng)用比較廣泛。其原理圖如圖所示。正向晶閘管整流電路設(shè)為Ⅰ組，為電動機(jī)提供正向電樞電流，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)；反向晶閘管整流電路為Ⅱ組，為電動機(jī)提供反向電樞電流，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。采用兩組晶閘管整流電路組成的可逆線路中，不通過負(fù)載而只流過兩組晶閘管電路的電流稱為環(huán)流。根據(jù)有無環(huán)流，調(diào)速線路又分有環(huán)流（可控有環(huán)流）及無環(huán)流（邏輯無環(huán)流，錯位無環(huán)流）兩種。采用兩組晶閘管整流電路組成的可逆線路又分為兩種接線方式，一種為反并聯(lián)連接，它的特點(diǎn)是由一個交流電源同時向兩組晶閘管整流電路供電；另一種為交叉連接，它的特點(diǎn)是兩組晶閘管整流電路由兩個獨(dú)立的交流電源分別供電。在三相全控橋可逆線路中，交叉連接比反并聯(lián)連接所用的限制環(huán)流大小的均衡電抗器數(shù)目可少一半，因而，在有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)中，三相全控橋均采用交叉連接組成可逆調(diào)速系統(tǒng)。除此而外，一般均采用反并聯(lián)連接形式。現(xiàn)以三相半波反并聯(lián)可逆線路為例，介紹邏輯控制無環(huán)流可逆線路的工作原理，其線路如圖所示。欲使電動機(jī)工作于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，應(yīng)控制共陰極組的a角由90逐漸減小，與此同時封鎖共陽極組的觸發(fā)脈沖。共陰極組輸出直流電壓Ud1由零逐漸增加，電動機(jī)啟動并正轉(zhuǎn)加速，此時共陰極組整流電壓Ud1極性為上正下負(fù)，共陰極組電路工作在整流狀態(tài)。電動機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，如圖第Ⅰ象限所示。若欲使電動機(jī)制動（或減速），應(yīng)利用邏輯電路封鎖共陰極組觸發(fā)脈沖使之停止給電動機(jī)供電，電動機(jī)由于慣性轉(zhuǎn)速瞬時降不下來，其反電勢E的極性仍為上正下負(fù)。開放共陽極組使之投入工作，控制共陽極組的a角由180逐漸減?。?80＞a＞90），共陽極組輸出直流電壓平均值的極性為上正下負(fù)，且使之小于E，以產(chǎn)生足夠的制動電流（不超過允許的最大制動電流），使電動機(jī)轉(zhuǎn)速很快制動到零。這樣，電動機(jī)工作在正轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，共陽極組電路工作在逆變狀態(tài)。如圖第Ⅱ象限所示。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速制動到零時，若使共陽極組電路的a角在0～90范圍變化，即a角由90逐漸減小，則輸出電壓逐漸增加，極性為上負(fù)下正，電動機(jī)啟動并反轉(zhuǎn)加速，電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，共陽極組工作在整流狀態(tài)。如圖第Ⅲ象限所示。欲使反轉(zhuǎn)的電動機(jī)制動（或減速），則封鎖共陽極組電路觸發(fā)脈沖，開放共陰極組電路使角在范圍內(nèi)減小，共陰極組電路輸出直流電壓平均值極性為上負(fù)下正，且，以產(chǎn)生足夠的制動電流，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速很快降到零。這樣，電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，共陰極組電路工作于逆變狀態(tài)。如圖第Ⅳ象限所示。四、脈寬可逆直流調(diào)速系統(tǒng)目前，應(yīng)用較廣的一種直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本主電路如圖所示。一、基本的工作原理1．三相交流電源經(jīng)整流濾波變成電壓恒定的直流電壓；2．VT1～VT4為四只大功率晶體三極管，工作在開關(guān)狀態(tài)，其中，處于對角線上的一對三極管的基極，因接受同一控制信號而同時導(dǎo)通或截止；3．若VT1和VT4導(dǎo)通，則電動機(jī)電樞上加正向電壓；則VT2和VT3導(dǎo)通，電動機(jī)電樞上加反向電壓。4．當(dāng)它們以較高的頻率（一般為2000Hz）交替導(dǎo)通時，電樞兩端的電壓波形如圖所示。電動機(jī)上得到的電壓波形如下：US——外加電壓Uav——直流電動機(jī)上的電壓平均值T——兩組管子導(dǎo)通的總時間，稱為矩形波周期t1——正向?qū)〞r間由于機(jī)械慣性的作用，決定電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的僅為此電壓的平均值。設(shè)：并稱之為占空比

人為地改變正脈沖的寬度以改變占空比，

1.即可改變的大小，達(dá)到調(diào)速的目的。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的無級調(diào)速。

2.可實(shí)現(xiàn)可逆控制。由上式可知，在時

·當(dāng)時,，正向轉(zhuǎn)速最高；

·當(dāng)時,為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；

·當(dāng)時，，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零；

·當(dāng)時，為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；

·當(dāng)時，，反向轉(zhuǎn)速最高。二、晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)比較具有下列特點(diǎn)：

(1)主電路所需的功率元件少。實(shí)現(xiàn)同樣的功能，一般晶體管的數(shù)量僅為晶閘管的1/3～1/6。

(2)控制線路簡單。晶體管的控制比晶閘管的容易，不存在相序問題，不需要煩瑣的同步移相觸發(fā)控制電路。

(3)晶體管脈寬調(diào)制（PWM）放大器的開關(guān)頻率一般為1kHz～3kHz，有的甚至可達(dá)5kHz。而晶閘管三相全控整流橋的開關(guān)頻率只有300Hz，前者的開關(guān)頻率差不多比后者高一個數(shù)量級，因而晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的頻帶比晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的頻帶寬得多。這樣，前者的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)速精度等性能指標(biāo)都比后者好。晶體管脈寬調(diào)制(PWM)放大器的開關(guān)頻率高,前者的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)速精度等性能指標(biāo)都比后者好。電動機(jī)的附加損耗都小。（4）晶體管脈寬調(diào)制放大器的電壓放大系數(shù)不隨輸出電壓的改變而變化，而晶閘管整流器的電壓放大系數(shù)在輸出電壓低時變小。這樣前者的低速性能要比后者好得多，它可使電動機(jī)在很低的速度下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，其調(diào)速范圍很寬。目前，因受大功率晶體管最大電壓、電流定額的限制，晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的最大功率只有幾十kW，而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的最大功率可以達(dá)到幾千kW，因